Перетворення водню в гелій. З чого складається сонце
Перші спроби відповісти на ці питання були зроблені астрономами в середині ХIX століття, після формулювання фізиками закону збереження енергії.
Роберт Майер припустив, що Сонце світить за рахунок постійного бомбардування поверхні метеоритами і метеорними частинками. Ця гіпотеза була відкинута, так як простий розрахунок показує, що для підтримки світимості Сонця на сучасному рівнінеобхідно, щоб на нього за кожну секунду випадало 2 * 1015 кг метеорної речовини. За рік це складе 6 * 1022 кг, а за час існування Сонця, за 5 мільярдів років - 3 * +1032 кг. Маса Сонця М = 2 * 1030 кг, тому за п'ять мільярдів років на Сонці мало випасти речовини в 150 разів більша за масу Сонця.
Друга гіпотеза була висловлена Гельмгольцом і Кельвіном також в середині ХIX століття. Вони припустили, що Сонце випромінює за рахунок стиснення на 60-70 метрів щорічно. Причина стиснення - взаємне притягання частинок Сонця, саме тому ця гіпотеза отримала назву контракційної. Якщо зробити розрахунок по даній гіпотезі, то вік Сонця буде не більше 20 мільйонів років, що суперечить сучасним даними, отриманим з аналізу радіоактивного розпаду елементів в геологічних зразках земного грунту і грунту Місяця.
Третю гіпотезу про можливі джерела енергії Сонця висловив Джеймс Джинс на початку ХХ століття. Він припустив, що в надрах Сонця містяться важкі радіоактивні елементи, які мимовільно розпадаються, при цьому випромінюється енергія. Наприклад, перетворення урану в торій і потім в свинець, супроводжується виділенням енергії. Подальший аналіз цієї гіпотези також показав її неспроможність; зірка, що складається з одного урану, що не виділяла б достатньо енергії для забезпечення спостерігається світності Сонця. Крім того, існують зірки, по світності в багато разів перевершують світність нашої зірки. Малоймовірно, що в тих зірках запаси радіоактивної речовини будуть також більше.
Найімовірнішою гіпотезою виявилася гіпотеза синтезу елементів в результаті ядерних реакцій в надрах зірок.
У 1935 році Ханс Бете висунув гіпотезу, що джерелом сонячної енергії може бути термоядерна реакція перетворення водню в гелій. Саме за це Бете отримав Нобелівську премію в 1967 році.
Хімічний склад Сонця приблизно такий же, як і у більшості інших зірок. Приблизно 75% - це водень, 25% - гелій і менше 1% - всі інші хімічні елементи(В основному, вуглець, кисень, азот тощо). Відразу після народження Всесвіту «важких» елементів не було зовсім. Всі вони, тобто елементи важче гелію і навіть багато альфа-частинки, утворилися в ході «горіння» водню в зірках при термоядерному синтезі. Характерне час життя зірки типу Сонця десять мільярдів років.
Основне джерело енергії - протон-протонний цикл - дуже повільна реакція (характерний час 7,9 * 109 років), так як обумовлена слабкою взаємодією. Її суть полягає в тому, що з чотирьох протонів виходить ядро гелію. При цьому виділяються пари позитронів і пара нейтрино, а також 26,7 МеВ енергії. Кількість нейтрино, що випромінюється Сонцем за секунду, визначається тільки світність Сонця. Оскільки при виділенні 26,7 МеВ народжується 2 нейтрино, то швидкість випромінювання нейтрино: 1,8 * 1038 нейтрино / с.
Пряма перевірка цієї теорії - спостереження сонячних нейтрино. Нейтрино високих енергій (борні) реєструються в хлор-аргонних експериментах (експерименти Девіса) і стійко показують недолік нейтрино в порівнянні з теоретичним значенням для стандартної моделіСонця. Нейтрино низьких енергій, що виникають безпосередньо в рр-реакції, реєструються в галій-германієвих експериментах (GALLEX в Гран Сассо (Італія - Німеччина) та SAGE на Баксане (Росія - США)); їх також «не вистачає».
За деякими припущеннями, якщо нейтрино мають відмінну від нуля масу спокою, можливі осциляції (перетворення) різних сортів нейтрино (ефект Міхєєва - Смирнова - Вольфенштейна) (існує три сорти нейтрино: електронне, мюонне і тауонное нейтрино). Оскільки інші нейтрино мають набагато менші перетину взаємодії з речовиною, ніж електронне, спостережуваний дефіцит може бути пояснений, не змінюючи стандартної моделі Сонця, побудованої на основі всієї сукупності астрономічних даних.
Кожну секунду Сонце переробляє близько 600 мільйонів тонн водню. Запасів ядерного палива вистачить ще на п'ять мільярдів років, після чого воно поступово перетвориться в білий карлик.
Центральні частини Сонця будуть стискуватися, розігріваючи, а тепло, яке передається при цьому зовнішній оболонці, призведе до її розширення до розмірів, жахливих порівняно з сучасними: Сонце розшириться настільки, що поглине Меркурій, Венеру і буде витрачати «пальне» в сто разів швидше, ніж в даний час. Це призведе до збільшення розмірів Сонця; наша зірка стане червоним гігантом, розміри якого можна порівняти з відстанню від Землі до Сонця! Життя на Землі зникне або знайде притулок на зовнішніх планетах.
Ми, звичайно, будемо заздалегідь повідомлені про таку подію, оскільки перехід до нової стадії займе приблизно 100-200 мільйонів років. Коли температура центральної частини Сонця досягне 100 000 000 К, почне згоряти і гелій, перетворюючись в важкі елементи, і Сонце вступить в стадію складних циклів стиснення і розширення. На останній стадії наша зірка втратить зовнішню оболонку, центральне ядро матиме неймовірно велику щільність і розміри, як у Землі. Пройде ще кілька мільярдів років, і Сонце охолоне, перетворившись в білий карлик.
Джерело енергії Сонця
Знання-сила
вуглецевий цикл
Як перетворюється водень в гелій в надрах зірок?Перший відповідь на це питання знайшли незалежно один від одного Ганс Бете в США і Карл-Фрідріх фон Вайцзеккер в Німеччині. У 1938 році вони виявили першу реакцію, яка призводить до перетворення водню в гелій і може забезпечити необхідну енергію для підтримки життя зірок. Час для цього настав: 11 липня 1938 року в редакції журналу "Zeitschrift für Physik" надійшла рукопис Вайцзеккера, а 7 вересня того ж року рукопис Бете надійшла до редакції журналу "Physical Review". В обох роботах містилося відкриття вуглецевого циклу. Бете і Крічфілд вже 23 червня послали роботу, яка містить найважливішу частину протон-протонного циклу.
Цей процес досить складний. Для його протікання необхідно, щоб в зірках крім водню були присутні і атоми інших елементів, наприклад вуглецю. Ядра атомів вуглецю відіграють роль каталізаторів. Про каталізаторах ми добре знаємо з хімії. Протони приєднуються до ядер вуглецю, там же утворюються атоми гелію. Потім ядро вуглецю виштовхує утворилися з протонів ядра гелію, а саме залишається в результаті цього процесу незмінним.
На малюнку показана схема цієї реакції, що має вигляд замкнутого циклу. Розглянемо цю реакцію, Починаючи з верхньої частини малюнка. Процес починається з того, що ядро атома водню стикається з ядром вуглецю з масовим числом 12. Ми позначаємо його як C 12. За рахунок тунельного ефекту протон може подолати сили електричного відштовхування ядра вуглецю і об'єднатися з ним.
Перетворення водню в гелій в вуглецевому циклі реакцій Бете в надрах зірок. Червоні хвилясті стрілки показують, що атом випускає квант електромагнітного випромінювання.
Нове ядро складається вже з тринадцяти важких елементарних частинок. За рахунок позитивного заряду протона заряд вихідного ядра вуглецю збільшується. При цьому виникає ядро азоту з масовим числом 13. Його позначають як N 13. Цей ізотоп азоту радіоактивний і через деякий час випускає дві легкі частинки: позитрон і нейтрино - елементарну частинку, про яку ми ще почуємо. Таким чином, ядро азоту перетворюється в ядро вуглецю з масовим числом 13, тобто в C 13. Це ядро знову має такий же заряд, як ядро вуглецю на початку циклу, але його масове число вже на одиницю більше. Тепер ми маємо ядро іншого ізотопу вуглецю. Якщо з цим ядром зіткнеться ще один протон, то знову виникає ядро азоту. Однак тепер воно має масове число 14, це N 14. Якщо новий атом азоту зіткнеться з ще одним протоном, то він переходить в Про 15, тобто в ядро кисню з масовим числом 15. Це ядро теж радіоактивно, воно знову випускає позитрон і нейтрино і переходить в N 15 - азот з масовим числом 15. Ми бачимо, що процес почався з вуглецю з масовим числом 12 і привів до появи азоту з масовим числом 15. Таким чином, послідовне приєднанняпротонів призводить до появи все більш важких ядер. Нехай до ядра N 15 приєднається ще один протон, тоді з утворився ядра вилітають разом два протони і два нейтрони, які утворюють ядро гелію. Важке ядро знову перетворюється в вихідне ядро вуглецю. Коло замкнулося.
В результаті чотири протона об'єднуються і утворюють ядро гелію: водень перетворюється в гелій. В ході цього процесу звільняється енергія, якої достатньо для того, щоб зірки могли світити мільярди років.
Розігрів зоряної речовини відбувається не на всіх етапах розглянутої нами ланцюжка реакцій. Зоряне речовина розігрівається частково за рахунок квантів електромагнітного випромінювання, які передають свою енергію зоряного газу, а частково за рахунок позитронів, які майже відразу ж анігілюють з вільними електронами зоряного газу. При анігіляції позитронів і електронів теж утворюються кванти електромагнітного випромінювання. Енергія цих квантів передається зоряного речовини. Невелика частина виділяється енергії несеться з зірки разом з вилітають нейтрино. Деякі незрозумілі питання, пов'язані з нейтрино ми розглянемо пізніше.
У 1967 р Бете була присуджена Нобелівська преміяз фізики за відкриття вуглецевого циклу, яке було зроблено ним в 1938 році разом з фон Вайцзеккер. В цьому випадку Нобелівський комітет, по всій видимості, забув, що честь цього відкриття належить не одному Бете.
Нам відомо, що циклічне перетворення відбувається в присутності елементів-каталізаторів: вуглецю і азоту. Але в зоряних надрах не обов'язково повинні бути присутніми всі три елементи. Цілком достатньо і одного з них. Якщо почнеться хоча б одна реакція циклу, то елементи-каталізатори виникнуть в результаті наступних етапів реакцій. Більш того, протікання циклічної реакції призводить до того, що виникає цілком певний кількісне співвідношення між неохотлівимі ізотопами. Це кількісне співвідношення залежить від температури, при якій протікає цикл. Астрофізики можуть в даний час за допомогою своїх спектроскопічних методів провести досить точний кількісний аналіз космічного речовини. За співвідношенням між кількістю ізотопів C 12, C 13, N 14 і N 15 часто можна не тільки встановити, що в зіркових надрах йде перетворення речовини з вуглецевого циклу, але і при якій температурі відбуваються ці реакції. Однак водень може перетворюватися в гелій не тільки за рахунок вуглецевого циклу. Поряд з реакціями вуглецевого циклу відбуваються і інші, більш прості перетворення. Вони-то і вносять основний внесок (принаймні на Сонце) в виділення енергії. Далі ми перейдемо до розгляду цих реакцій.
Настороженість в американському суспільстві по відношенню до ядерної енергетики, заснованої на розподілі ядра, привела до зростання інтересу до водневого синтезу (термоядерної реакції). Ця технологія була запропонована як альтернативний спосіб використовувати властивості атома для виробництва електроенергії. Це прекрасна ідея в теорії. Водневий синтез більш ефективно перетворює матерію в енергію, ніж розщеплення ядра, причому цей процес не супроводжується утворенням радіоактивних відходів. Однак працездатний термоядерний реактор ще тільки належить створити.
Термоядерний синтез в сонце
Фізики вважають, що Сонце перетворює водень в гелій за рахунок термоядерної реакції синтезу. Термін «синтез» означає «об'єднання». Водневий синтез вимагає найвищих температур. Потужна гравітація, створювана величезною масою Сонця, постійно підтримує його ядро в стислому стані. Це стиснення забезпечує в ядрі температуру, досить високу для виникнення термоядерного синтезу водню.
Сонячний водневий синтез - багатоступінчастий процес. Спочатку два ядра водню (два протона) сильно стискаються, випускаючи позитрон, також відомий як антиелектрон. Позитрон має ту ж масу, що електрон, але несе позитивний, а не негативний одиничний заряд. Крім позитрона, при стисненні атомів водню виділяється нейтрино - частка, що нагадує електрон, але не має електричного заряду і здатна у величезних межах проникати крізь матерію (Іншими словами, нейтрино (нейтрино малої енергії) надзвичайно слабо взаємодіють з речовиною. Довжина вільного пробігу деяких видів нейтрино в воді становить близько ста світлових років. Також відомо, що без видимих наслідків кожну секунду через уело кожної людини на Землі проходить приблизно 10 нейтрино, випущених Сонцем.).
Синтез двох протонів супроводжується втратою одиничного позитивного заряду. В результаті один з протонів стає нейтроном. Так виходить ядро дейтерію (позначається 2Н або D) -важкий ізотопу водню, що складається з одного протона і одного нейтрона.
Дейтерій також відомий як важкий водень. Ядро дейтерію об'єднується з ще одним протоном і формує ядро гелію-3 (Не-3), що складається з двох протонів і одного нейтрона. При цьому випускається пучок гамма-випромінювання. Далі два ядра гелію-3, що утворилися в результаті двох незалежних повторів описаного вище процесу, об'єднуються, формуючи ядро гелію-4 (Не-4), що складається з двох протонів і двох нейтронів. Цей ізотоп гелію використовується для наповнення аеростатів легший за повітря. На фінальній стадії випускаються два протона, які можуть провокувати подальший розвиток реакції синтезу.
У процесі «сонячного синтезу» загальна маса створюється матерії трохи перевищує загальну масу початкових інгредієнтів. «Відсутня частина» перетвориться в енергію, згідно знаменитій формулі Ейнштейна:
де Е - енергія в джоулях, m - «відсутня маса» в кілограмах, а з - швидкість світла, рівна (у вакуумі) 299 792 458 м / с. Сонце виробляє таким чином колосальну кількість енергії, так як ядра водню перетворюються в ядра гелію безупинно і у величезних кількостях. В Сонце досить матерії для того, щоб процес водневого синтезу тривав мільйони тисячоліть. Згодом запас водню підійде до кінця, але це станеться не за нашого життя.
2002-01-18T16: 42 + 0300
2008-06-04T19: 55 + 0400
https: //сайт/20020118/54771.html
https: //cdn22.img..png
РІА Новини
https: //cdn22.img..png
РІА Новини
https: //cdn22.img..png
Термоядерні реакції, що відбуваються на сонці
(Тер.Інк. N03-02, 18/01/2002) Вадим Прибитков, фізик-теоретик, постійний кореспондент Терри Інкогніта. Вчені прекрасно розуміють, що термоядерні реакції, що відбуваються на Сонці, в цілому полягають у перетворенні водню в гелій і в більш важкі елементи. Але ось як відбуваються ці перетворення, абсолютної ясності немає, точніше, панує повна неясність: відсутня найголовніше початкове ланка. Тому придумана фантастична реакція з'єднання двох протонів в дейтерій з викидом позитрона і нейтрино. Однак така реакція в дійсності неможлива, тому що між протонами діють потужні сили відштовхування. ---- Що ж насправді відбувається на Сонці? Перша реакція полягає в народженні дейтерію, утворення якого відбувається при високому тиску в низькотемпературній плазмі при близькому з'єднанні двох атомів водню. У цьому випадку два водневих ядра на короткий період виявляються майже поруч, при цьому вони в змозі зробити захоплення одного з ...
(Тер.Інк. N03-02, 18/01/2002)
Вадим Прибитков, фізик-теоретик, постійний кореспондент Терри Інкогніта.
Вчені прекрасно розуміють, що термоядерні реакції, що відбуваються на Сонці, в цілому полягають у перетворенні водню в гелій і в більш важкі елементи. Але ось як відбуваються ці перетворення, абсолютної ясності немає, точніше, панує повна неясність: відсутня найголовніше початкове ланка. Тому придумана фантастична реакція з'єднання двох протонів в дейтерій з викидом позитрона і нейтрино. Однак така реакція в дійсності неможлива, тому що між протонами діють потужні сили відштовхування.
Що ж насправді відбувається на Сонці?
Перша реакція полягає в народженні дейтерію, утворення якого відбувається при високому тиску в низькотемпературній плазмі при близькому з'єднанні двох атомів водню. У цьому випадку два водневих ядра на короткий період виявляються майже поруч, при цьому вони в змозі зробити захоплення одного з орбітальних електронів, який і утворює з одним з протонів нейтрон.
Аналогічна реакція може протікати і при інших умовах, коли протон впроваджується в атом водню. У цьому випадку також відбувається захоплення орбітального електрона (К-захоплення).
Нарешті може бути і така реакція, коли на якийсь короткий період зближуються два протона, їх спільних сил вистачає на те, щоб захопити пролітає електрон і утворити дейтерій. Все залежить від температури плазми або газу, в яких протікають ці реакції. При цьому виділяється 1,4 МеВ енергії.
Дейтерій є основою для протікання наступного циклу реакцій, коли два ядра дейтерію утворюють тритій з викидом протона, або гелій-3 з викидом нейтрона. Обидві реакції різновірогідні і добре відомі.
Далі йдуть реакції з'єднання тритію з дейтерієм, тритію з тритієм, гелію-3 з дейтерієм, гелію-3 з тритієм, гелію-3 з гелієм-3 з утворенням гелію-4. При цьому виділяється більша кількість протонів і нейтронів. Нейтрони захоплюються ядрами гелію-3 і всіма елементами, у яких є зв'язки з дейтерію.
Ці реакції підтверджуються і тим, що з Сонця в складі сонячного вітру викидається величезна кількість протонів високих енергій. Самим чудовим у всіх цих реакціях є те, що в ході їх не утворюється ні позитронів, ні нейтрино. При протіканні всіх реакцій виділяється енергія.
У природі все відбувається набагато простіше.
Далі з ядер дейтерію, тритію, гелію-3, гелію-4 починають формуватися більш складні елементи. При цьому весь секрет полягає в тому, що ядра гелію-4 не можуть з'єднуватися між собою безпосередньо, тому що вони взаємно відштовхуються. Їх з'єднання відбувається через зв'язки з дейтерію і тритію. Цей момент офіційна наука також абсолютно не враховує і звалює ядра гелію-4 в одну купу, що неможливо.
Таким же фантастичним, як і офіційний водневий цикл, є і так званий вуглецевий цикл, придуманий Г.Бете в 1939 р, в ході якого з чотирьох протонів утворюється гелій-4 і, нібито, також виділяються позитрони і нейтрино.
У природі все відбувається набагато простіше. Природа не придумує, як теоретики, нові частинки, а користується лише тими, які у неї є. Як ми бачимо, освіту елементів починається з приєднання двома протонами одного електрона (так званий К-захоплення), в результаті чого і виходить дейтерій. К-захоплення є єдиним методом створення нейтронів і широко практикується і всіма іншими більш складними ядрами. Квантова механіка заперечує наявність електронів в ядрі, але без електронів побудувати ядра неможливо.
Щоб розуміти процес народження і розвитку уявлень про термоядерний синтез на Сонце, необхідно знати історію людських уявлень про розуміння цього процесу. Є багато нерозв'язних теоретичних і технологічних проблем по створенню керованого термоядерного реактора, в якому відбувається процес управління термоядерним синтезом. Багато вчених, а тим більше чиновники від науки, не знайомі з історією цього питання.
Саме незнання історії розуміння і уявлення людством термоядерного синтезу на Сонце призвело до невірних дій творців термоядерних реакторів. Це доводиться шістдесятирічної невдачею робіт зі створення керованого термоядерного реактора, марними витратами величезних грошових коштів багатьма розвиненими країнами. Найголовніше і незаперечний доказ: протягом 60 років не створено керований термоядерний реактор. Більш того, відомі наукові авторитети в ЗМІ обіцяють створення керованого термоядерного реактора (УТЯР) років через 30 ... 40.
2. «Бритва Оккама»
«Бритва Оккама» - методологічний принцип, який отримав назву по імені англійського ченця-францисканця, філософа-номіналіста Вільяма. У спрощеному вигляді він говорить: «Не слід множити суще без необхідності» (або «Не слід залучати нові сутності без крайньої на те необхідності»). Цей принцип формує базис методологічного редукціонізму, також званий принципом ощадливості, або законом економії. Часом принцип виражається в словах: «Те, що можна пояснити за допомогою меншого, не слід виражати за допомогою більшого».
В сучасній науціпід «Бритвою Оккама» зазвичай розуміють більш загальний принцип, який стверджує, що якщо існує кілька логічно несуперечливих визначень або пояснень якого-небудь явища, то слід вважати вірним найпростіше з них.
Зміст принципу можна спрощено звести до наступного: не треба вводити складні закони, щоб пояснити якесь явище, якщо це явище можна пояснити простими законами. Зараз цей принцип - потужне знаряддя наукової критичної думки. Сам же Оккам сформулював цей принцип як підтвердження існування Божого. Їм-то, на його думку, точно можна все пояснити, не вводячи нічого нового.
Переформулювати на мові теорії інформації принцип «Бритви Оккама» свідчить, що найточнішим повідомленням є повідомлення мінімальної довжини.
Альберт Ейнштейн переформулював принцип «Бритви Оккама» наступним чином: «Все слід спрощувати до тих пір, поки це можливо, але не більше того».
3. Про початок розуміння і уявлення людством термоядерного синтезу на Сонце
Всі жителі Землі довгий час розуміли факт, що Сонце гріє Землю, але для всіх незрозумілими залишалися джерела сонячної енергії. У 1848 р Роберт Маєр висунув метеоритну гіпотезу, згідно з якою Сонце нагрівається завдяки бомбардуванню метеоритами. Однак при такому необхідній кількості метеоритів сильно нагрівалася б і Земля; крім того, земні геологічні нашарування складалися б в основному з метеоритів; нарешті, маса Сонця повинна була зростати, і це позначилося б на русі планет.
Тому в другій половині XIX століття багатьма дослідниками найбільш правдоподібною вважалася теорія, розвинена Гельмгольцом (1853) і лордом Кельвіном, які припустили, що Сонце нагрівається за рахунок повільного гравітаційного стиснення ( «механізм Кельвіна - Гельмгольца»). Засновані на цьому механізмі розрахунки оцінювали максимальний вік Сонця в 20 млн років, а час, через яке Сонце згасне - не більше ніж в 15 млн. Однак ця гіпотеза суперечила геологічними даними про вік гірських порід, Які вказували на набагато большіе цифри. Так, наприклад, Чарльз Дарвін зазначив, що ерозія вендских відкладень тривала не менше 300 млн років. Проте, енциклопедія Брокгауза і Ефрона вважає гравітаційну модель єдино допустимої.
Тільки в XX столітті було знайдено «правильне» рішення цієї проблеми. Спочатку Резерфорд висунув гіпотезу, що джерелом внутрішньої енергії Сонця є радіоактивний розпад. У 1920 р Артур Еддінгтон припустив, що тиск і температура в надрах Сонця настільки високі, що там можуть йти термоядерні реакції, при якій ядра водню (протони) зливаються в ядро гелію-4. Так як маса останнього менше, ніж сума мас чотирьох вільних протонів, то частина маси в цій реакції, згідно з формулою Ейнштейна E = mc 2, переходить в енергію. Те, що водень переважає в складі Сонця, підтвердила в 1925 р Сесіллія Пейн.
Теорія термоядерного синтезу була розвинена в 1930-х роках астрофізиками Чандрасекара і Гансом Бете. Бете детально розрахував дві головні термоядерні реакції, які є джерелами енергії Сонця. Нарешті, в 1957 р з'явилася робота Маргарет Бёрбрідж «Синтез елементів в зірках», в якій було показано, висловлено припущення, що більшість елементів у Всесвіті виникло в результаті нуклеосинтеза, що йде в зірках.
4. Космічні дослідження Сонця
Перші роботи Еддінгтона як астронома пов'язані з вивченням рухів зірок і будовою зоряних систем. Але, головна його заслуга - в тому, що він створив теорію внутрішньої будови зірок. Глибоке проникнення в фізичну сутність явищ і майстерне володіння методами складних математичних розрахунків дозволили Еддінгтон отримати ряд основоположних результатів в таких областях астрофізики, як внутрішню будову зірок, стан міжзоряної матерії, рух і розподіл зірок в Галактиці.
Еддінгтон розрахував діаметри деяких червоних зірок-гігантів, визначив щільність карликового супутника зірки Сиріус - вона виявилася надзвичайно високою. Робота Еддінгтона з визначення щільності зірки послужила поштовхом для розвитку фізики надщільного (виродженого) газу. Еддінгтон був хорошим інтерпретатором загальної теорії відносності Ейнштейна. Він здійснив першу експериментальну перевірку одного з ефектів, передбачених цією теорією: відхилення променів світла в поле тяжіння масивної зірки. Це вдалося йому зробити під час повного затемнення Сонця в 1919 р Разом з іншими вченими Еддінгтон заклав основи сучасних знаньпро будову зірок.
5. Термоядерний синтез - горіння !?
Що являє собою, візуально, термоядерний синтез? В принципі це горіння. Але зрозуміло, що це горіння дуже великої потужності на одиницю об'єму простору. І зрозуміло, що це не процес окислення. Тут, в процесі горіння, беруть участь інші елементи, які теж горять, але при особливих фізичних умовах.
Згадаймо про горіння.
Горіння хімічне - це складний фізико-хімічний процес перетворення компонентів горючої суміші в продукти згоряння з виділенням теплового випромінювання, світла і променевої енергії.
Горіння хімічне поділяють на кілька типів горіння.
Дозвуковое горіння (дефлаграція) на відміну від вибуху і детонації протікає з низькими швидкостями і не пов'язане з утворенням ударної хвилі. До дозвукових горіння відносять нормальне ламинарное і турбулентний поширення полум'я, до надзвукового - детонацію.
Горіння підрозділяється на теплове і ланцюгове. В основі теплового горіння лежить хімічна реакція, Здатна протікати з прогресуючим самоускорением внаслідок накопичення тепла, що виділяється. Ланцюгове горіння зустрічається у випадках деяких газофазних реакцій при низькому тиску.
Умови термічного самоускорения можуть бути забезпечені для всіх реакцій з досить великими тепловими ефектами і енергіями активації.
Горіння може початися мимовільно в результаті самозаймання або бути ініційованим запалюванням. При фіксованих зовнішніх умовах безперервне горіння може протікати в стаціонарному режимі, коли основні характеристики процесу - швидкість реакції, потужність тепловиділення, температура і склад продуктів - не змінюються в часі, або в періодичному режимі, коли ці характеристики коливаються біля своїх середніх значень. Внаслідок сильної нелінійної залежності швидкості реакції від температури горіння відрізняється високою чутливістю до зовнішніх умов. Це ж властивість горіння обумовлює існування кількох стаціонарних режимів при одних і тих же умовах (гістерезисна ефект).
Буває об'ємне горіння, воно всім відоме і часто використовується в побуті.
Дифузійне горіння.Характеризується роздільною подачею в зону горіння пального і окислювача. Перемішування компонентів відбувається в зоні горіння. Приклад: горіння водню і кисню в ракетному двигуні.
Горіння попередньо змішаної середовища.Як випливає з назви, горіння відбувається в суміші, в якій одночасно присутні пальне і окислювач. Приклад: горіння в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння бензиново-повітряної суміші після ініціалізації процесу свічкою запалювання.
Безполуменеве горіння.На відміну від звичайного горіння, коли спостерігаються зони окисного полум'я і відновного полум'я, можливе створення умов для беспламенного горіння. Прикладом може служити каталітичне окислення органічних речовинна поверхні відповідного каталізатора, наприклад, окислення етанолу на платинової черні.
Тління.Вид горіння, при якому полум'я не утворюється, а зона горіння повільно поширюється по матеріалу. Тління зазвичай спостерігається у пористих або волокнистих матеріалів з високим вмістом повітря або просочених окислювачами.
Автогенне горіння.Самоподдерживающиеся горіння. Термін використовується в технології спалювання відходів. Можливість автогенного (самопідтримки) горіння відходів визначається граничним вмістом баластувальні компонент: вологи і золи.
Полум'я - область простору, в якій відбувається горіння в газовій фазі, що супроводжується видимим і (або) інфрачервоним випромінюванням.
Звичайне полум'я, яке ми спостерігаємо при горінні свічки, полум'я запальнички або сірника, являє собою потік розпечених газів, витягнутий вертикально за рахунок сили тяжіння Землі (гарячі гази прагнуть підніматися вгору).
6. Сучасні фізико-хімічні уявлення про Сонце
Основні характеристики:
Склад фотосфери:
Сонце - центральна і єдина зірка нашої Сонячної системи, навколо якої звертаються інші об'єкти цієї системи: планети і їх супутники, карликові планетиі їх супутники, астероїди, метеороіди, комети і космічний пил. Маса Сонця (теоретично) становить 99,8% від сумарної маси всієї Сонячної системи. Сонячне випромінювання підтримує життя на Землі (фотони необхідні для початкових стадій процесу фотосинтезу), визначає клімат.
За спектральної класифікації Сонце відноситься до типу G2V ( «жовтий карлик»). Температура поверхні Сонця досягає 6000 K, тому Сонце світить майже білим світлом, але через більш сильного розсіювання і поглинання короткохвильової частини спектра атмосферою Землі пряме світло Сонця біля поверхні нашої планети набуває певний жовтий відтінок.
Сонячний спектр містить лінії іонізованих і нейтральних металів, а також іонізованого водню. У нашій галактиці Чумацький Шлях налічується приблизно 100 млн зірок класу G2. При цьому 85% зірок нашої галактики - це зірки, менш яскраві, ніж Сонце (в більшості своїй це червоні карлики, що знаходяться в кінці свого циклу еволюції). Як і всі зірки головної послідовності, Сонце виробляє енергію шляхом термоядерного синтезу.
Випромінювання Сонця - основне джерело енергії на Землі. Його потужність характеризується сонячної постійної - кількістю енергії, що проходить через площадку одиничної площі, перпендикулярну сонячним променям. На відстані в одну астрономічну одиницю (тобто на орбіті Землі) ця постійна дорівнює приблизно 1370 Вт / м 2.
Проходячи крізь атмосферу Землі, сонячне випромінювання втрачає в енергії приблизно 370 Вт / м 2, і до земної поверхнідоходить тільки 1000 Вт / м 2 (при ясній погоді і коли Сонце знаходиться в зеніті). Ця енергія може використовуватися в різних природних і штучних процесах. Так, рослини за допомогою фотосинтезу переробляють її в хімічну форму (кисень і органічні сполуки). Пряме нагрівання сонячними променями або перетворення енергії за допомогою фотоелементів може бути використано для виробництва електроенергії (сонячними електростанціями) або виконання іншої корисної роботи. Шляхом фотосинтезу була в далекому минулому отримана і енергія, запасена в нафти та інших видах викопного палива.
Сонце - магнітно активна зірка. Вона володіє сильним магнітним полем, напруженість якого змінюється з часом, і яке змінює напрямок приблизно кожні 11 років, під час сонячного максимуму. варіації магнітного поляСонця викликають різноманітні ефекти, сукупність яких називається сонячною активністю і включає в себе такі явища як сонячні плями, сонячні спалахи, варіації сонячного вітру і т.д., а на Землі викликає полярні сяйва в високих і середніх широтах і геомагнітні бурі, які негативно позначаються на роботі засобів зв'язку, засобів передачі електроенергії, а також негативно впливає на живі організми, викликаючи у людей головний біль і погане самопочуття (у людей, чутливих до магнітних бурь). Сонце є молодою зіркою третього покоління (популяції I) з високим вмістом металів, тобто воно утворилося з останків зірок першого і другого поколінь, (відповідно популяцій III і II).
Поточний вік Сонця (точніше - час його існування на головній послідовності), оцінений за допомогою комп'ютерних моделей зоряної еволюції, дорівнює приблизно 4,57 мільярда років.
Життєвий цикл Сонця.Вважається, що Сонце сформувалося приблизно 4,59 мільярда років тому, коли швидке стиснення під дією сил гравітації хмари молекулярного водню привело до утворення в нашій області Галактики зірки першого типу зоряного населення типу T Тельця.
Зірка такої маси, як Сонце, повинна існувати на головній послідовності в цілому приблизно 10 млрд років. Таким чином, зараз Сонце знаходиться приблизно в середині свого життєвого циклу. на сучасному етапів сонячному ядрі йдуть термоядерні реакції перетворення водню в гелій. Кожну секунду в ядрі Сонця близько 4 млн тонн речовини перетворюється в променисту енергію, в результаті чого генерується сонячне випромінювання і потік сонячних нейтрино.
7. Теоретичні уявлення людства про внутрішнє і зовнішнє будову Сонця
У центрі Сонця знаходиться сонячне ядро. Фотосфера - це видима поверхня Сонця, яка і є основним джерелом випромінювання. Сонце оточує сонячна корона, яка має дуже високу температуру, проте вона вкрай розріджена, тому видима неозброєним оком тільки в періоди повного сонячного затемнення.
Центральна частина Сонця з радіусом приблизно 150 000 км, в якій йдуть термоядерні реакції, називається сонячним ядром. Щільність речовини в ядрі становить приблизно 150 000 кг / м 3 (в 150 разів більша за густину води і в ≈6,6 раз більша за густину найважчого металу на Землі - осмію), а температура в центрі ядра - більш 14 млн градусів. Теоретичний аналіз даних, проведений місією SOHO, показав, що в ядрі швидкість обертання Сонця навколо своєї осі значно вище, ніж на поверхні. В ядрі здійснюється протон-протонна термоядерна реакція, в результаті якої з чотирьох протонів утворюється гелій-4. При цьому кожну секунду в енергію перетворюються 4,26 млн т речовини, однак ця величина незначна в порівнянні з масою Сонця - 2 × 10 27 тонн.
Над ядром, на відстанях близько 0,2 ... 0,7 радіуса Сонця від його центру, знаходиться зона променистого перенесення, в якій відсутні макроскопічні руху, енергія переноситься за допомогою «переизлучения» фотонів.
Конвективная зона Сонця. Ближче до поверхні Сонця виникає вихровий перемішування плазми, і перенесення енергії до поверхні відбувається переважно рухами самого речовини. Такий спосіб передачі енергії називається конвекцією, а підповерхневий шар Сонця, товщиною приблизно 200 000 км, де вона відбувається - конвективного зоною. За сучасними даними, її роль у фізиці сонячних процесів виключно велика, так як саме в ній зароджуються різноманітні рухи сонячної речовини і магнітні поля.
Атмосфера Сонця Фотосфера (шар, випромінює світло) Досягає товщини ≈320 км і утворює видиму поверхню Сонця. З фотосфери виходить основна частина оптичного (видимого) випромінювання Сонця, випромінювання же з глибших шарів до неї вже не доходить. Температура в фотосфері досягає в середньому 5800 К. Тут середня щільність газу становить менше 1/1000 щільності земного повітря, а температура в міру наближення до зовнішнього краю фотосфери зменшується до 4800 К. Водень при таких умовах зберігається майже повністю в нейтральному стані. Фотосфера утворює видиму поверхню Сонця, від якої визначаються розміри Сонця, відстань від поверхні Сонця і т.д. хромосфера - зовнішня оболонкаСонця завтовшки близько 10 000 км, навколишнє фотосфери. Походження назви цієї частини сонячної атмосферипов'язане з її червоним кольором, викликаним тим, що в її видимому діапазоні домінує червона H-альфа лінія випромінювання водню. Верхня межахромосфери не має вираженої гладкій поверхні, з неї постійно відбуваються гарячі викиди, звані спікулами (через це в наприкінці XIXстоліття італійський астроном Секкі, спостерігаючи хромосферу в телескоп, порівняв її з палаючими преріями). Температура хромосфери збільшується з висотою від 4000 до 15 000 градусів.
Щільність хромосфери невелика, тому яскравість її недостатня, щоб спостерігати її в звичайних умовах. Але при повному сонячному затемненні, коли Місяць закриває яскраву фотосфери, розташована над нею хромосфера стає видимою і світиться червоним кольором. Її можна також спостерігати в будь-який час за допомогою спеціальних вузькосмугових оптичних фільтрів.
Корона - остання зовнішня оболонка Сонця. Незважаючи на її дуже високу температуру, від 600 000 до 2 000 000 градусів, її видно неозброєним оком тільки під час повного сонячного затемнення, так як щільність речовини в короні мала, а тому невелика і її яскравість. Надзвичайно інтенсивний нагрів цього шару викликаний, мабуть, магнітним ефектом і впливом ударних хвиль. Форма корони змінюється в залежності від фази циклу сонячної активності: у періоди максимальної активності вона має округлу форму, а в мінімумі - витягнута уздовж сонячного екватора. Оскільки температура корони дуже велика, вона інтенсивно випромінює в ультрафіолетовому і рентгенівському діапазонах. Ці випромінювання не проходять крізь земну атмосферу, але останнім часом з'явилася можливість вивчати їх за допомогою космічних апаратів. Випромінювання в різних областях корони відбувається нерівномірно. Існують гарячі активні і спокійні області, а також корональні діри з відносно невисокою температурою в 600 000 градусів, з яких в простір виходять магнітні силові лінії. Така ( «відкрита») магнітна конфігурація дозволяє частинкам безперешкодно залишати Сонце, тому сонячний вітер випускається «в основному» з корональних дір.
З зовнішньої частини сонячної корони закінчується сонячний вітер - потік іонізованих частинок (в основному протонів, електронів і α-частинок), що має швидкість 300 ... 1200 км / с і поширюється, з поступовим зменшенням своєї щільності, до кордонів геліосфери.
Так як сонячна плазма має досить високу електропровідність, в ній можуть виникати електричні струми і, як наслідок, магнітні поля.
8. Теоретичні проблеми термоядерного синтезу на Сонце
Проблема сонячних нейтрино.Ядерні реакції, що відбуваються в ядрі Сонця, призводять до утворення великої кількості електронних нейтрино. При цьому вимірювання потоку нейтрино на Землі, які постійно виробляються з кінця 1960-х років, показали, що кількість реєстрованих там сонячних електронних нейтрино приблизно в два-три рази менше, ніж передбачає стандартна сонячна модель, що описує процеси в Сонце. Це неузгодженість між експериментом і теорією отримало назву «проблема сонячних нейтрино» і більше 30 років було однією з загадок сонячної фізики. Положення ускладнювалося тим, що нейтрино вкрай слабо взаємодіє з речовиною, і створення нейтринного детектора, який здатний досить точно виміряти потік нейтрино навіть такої потужності, як виходить від Сонця - досить непроста наукова задача.
Пропонувалося два головних шляхи вирішення проблеми сонячних нейтрино. По-перше, можна було модифікувати модель Сонця таким чином, щоб зменшити передбачувану температуру в його ядрі і, отже, потік випромінюваних Сонцем нейтрино. По-друге, можна було припустити, що частина електронних нейтрино, випромінюваних ядром Сонця, при русі до Землі перетворюється в незареєстровані звичайними детекторами нейтрино інших поколінь (мюонні і тау-нейтрино). Сьогодні вчені схиляються, що правильним, швидше за все, є другий шлях. Для того, щоб мав місце перехід одного сорту нейтрино в іншій - так звані «осциляції нейтрино» - нейтрино має мати відмінну від нуля масу. В даний час встановлено, що це начебто дійсно так. У 2001 р в нейтринної обсерваторії в Садбері були безпосередньо зареєстровані сонячні нейтрино всіх трьох сортів і було показано, що їх повний потік узгоджується зі стандартною сонячної моделлю. При цьому тільки близько третини долітали до Землі нейтрино виявляється електронними. Це кількість узгоджується з теорією, яка передбачає перехід електронних нейтрино в нейтрино іншого покоління як в вакуумі (власне «осциляції нейтрино»), так в сонячному речовині ( «ефект Міхєєва-Смирнова-Вольфенштейна»). Таким чином, в даний час проблема сонячних нейтрино, мабуть, вирішена.
Проблема нагріву корони.Над видимою поверхнею Сонця (фотосферой), що має температуру близько 6 000 K, перебуває сонячна корона з температурою понад 1 000 000 K. Можна показати, що прямого потоку тепла з фотосфери недостатньо для того, щоб привести до такої високої температури корони.
Передбачається, що енергія для нагріву корони поставляється турбулентними рухами підфотосферній конвективного зони. При цьому для перенесення енергії в корону запропоновано два механізми. По-перше, це хвилеве нагрівання - звук і магнитогидродинамические хвилі, які генеруються в турбулентної конвективного зоні, поширюються в корону і там розсіюються, при цьому їх енергія перетворюється на теплову енергію корональної плазми. Альтернативний механізм - магнітне нагрівання, при якому магнітна енергія, безперервно генерується фотосферного рухами, вивільняється шляхом перез'єднання магнітного поля в формі великих сонячних спалахівабо ж великої кількості дрібних спалахів.
На даний момент неясно, який тип хвиль забезпечує ефективний механізм нагріву корони. Можна показати, що все хвилі, крім магнитогидродинамических альвенівських, розсіюються або відображаються до того, як досягнуть корони, диссипация ж альвенівських хвиль в короні утруднена. Тому сучасні дослідники сконцентрували основну увагу на механізм нагрівання за допомогою сонячних спалахів. Один з можливих кандидатів у джерела нагріву корони - безперервно відбуваються дрібномасштабні спалаху, хоча остаточна ясність в цьому питанні ще не досягнута.
P.S. Після прочитання про «Теоретичних проблеми термоядерного синтезу на Сонце» необхідно згадати про «бритву Оккама». Тут в поясненнях теоретичних проблем явно використовуються надумані нелогічні теоретичні пояснення.
9. Типи термоядерного палива. термоядерна пальне
Керований термоядерний синтез (УТС) - синтез більш важких атомних ядер з більш легких з метою отримання енергії, який, на відміну від вибухового термоядерного синтезу (використовуваного в термоядерному зброю), носить керований характер. Керований термоядерний синтез відрізняється від традиційної ядерної енергетики тим, що в останній використовується реакція розпаду, в ході якої з важких ядер виходять більш легкі ядра. В основних ядерних реакціях, які планується використовувати в цілях здійснення керованого термоядерного синтезу, будуть застосовуватися дейтерій (2 H) і тритій (3 H), а в більш віддаленій перспективі гелій-3 (3 He) і бор-11 (11 B)
Типи реакцій.Реакція синтезу полягає в наступному: беруться два або більше атомних ядра і з застосуванням деякої сили зближуються настільки, що сили, що діють на таких відстанях, переважають над силами кулонівського відштовхування між однаково зарядженими ядрами, в результаті чого формується нове ядро. Воно матиме дещо меншу масу, ніж сума мас вихідних ядер, а різниця стає енергією, що виділяється в процесі реакції. Кількість енергії, що виділяється описує відома формула E = mc 2. Більш легкі атомні ядра простіше звести на потрібну відстань, тому водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті - є найкращим пальним для реакції синтезу.
Встановлено, що суміш двох ізотопів водню, дейтерію і тритію, вимагає найменше енергії для реакції синтезу в порівнянні з енергією, що виділяється під час реакції. Однак, хоча суміш дейтерію і тритію (D-T) є предметом більшості досліджень синтезу, вона в будь-якому випадку не є єдиним видом потенційного пального. Інші суміші можуть бути простіше у виробництві; їхня реакція може надійніше контролюватися, або, що більш важливо, продукувати менше нейтронів. Особливу зацікавленість викликають, так звані «безнейтронние» реакції, оскільки успішне промислове використання такого пального означатиме відсутність довготривалого радіоактивного забруднення матеріалів і конструкції реактора, що, в свою чергу, могло б позитивно вплинути на громадську думку і на загальну вартість експлуатації реактора, істотно зменшивши витрати на його декоміссію. Проблемою залишається те, що реакцію синтезу з використанням альтернативних видів пального набагато складніше підтримувати, тому D-T реакція вважається тільки необхідним першим кроком.
Схема реакції дейтерій-тритій.Керований термоядерний синтез може використовувати різні видитермоядерних реакцій в залежності від виду застосовуваного палива.
Сама легко здійсненна реакція - дейтерій + тритій:
2 H + 3 H = 4 He + nпри енергетичному виході 17,6 МеВ.
Така реакція найбільш легко здійсненна з точки зору сучасних технологій, дає значний вихід енергії, паливні компоненти дешеві. Недолік її - вихід небажаної нейтронної радіації.
Два ядра: дейтерію і тритію зливаються, з утворенням ядра гелію (альфа-частинки) і високоенергетичного нейтрона.
Реакція - дейтерій + гелій-3 істотно складніше, на межі можливого, здійснити реакцію дейтерій + гелій-3:
2 H + 3 He = 4 He + pпри енергетичному виході 18,3 МеВ.
Умови її досягнення значно складніше. Гелій-3 крім того, є рідкісним і надзвичайно дорогим ізотопом. У промислових масштабах на даний час не проводиться.
Реакція між ядрами дейтерію (D-D, монотопліво).
Так само можливі реакції між ядрами дейтерію, вони йдуть трохи важче реакції за участю гелію-3.
Ці реакції повільно протікають паралельно з реакцією дейтерій + гелій-3, а що утворилися в ході них тритій і гелій-3 з великою ймовірністю негайно реагують з дейтерієм.
Інші типи реакцій.Можливі й деякі інші типи реакцій. Вибір палива залежить від багатьох факторів - його доступність і дешевизна, енергетичний вихід, легкість досягнення потрібних для реакції термоядерного синтезу умов (в першу чергу, температури), необхідних конструктивних характеристик реактора та ін.
«Безнейтронние» реакції.Найбільш перспективні т. Н. «Безнейтронние» реакції, так як породжуваний термоядерним синтезом нейтронний потік (наприклад, в реакції дейтерій-тритій) забирає значну частину потужності і породжує наведену радіоактивність в конструкції реактора. Реакція дейтерій - гелій-3 є перспективною в тому числі й через відсутність нейтронного виходу.
10. Класичні уявлення про умовах реалізації. термоядерного синтезу і керованих термоядерних реакторах
ТОКАМАК (тороідальн камери з магнітної котушками) - тороїдальна установка для магнітного утримання плазми. Плазма утримувати не стінками камери, які не здатні витримати її температуру, а спеціально створюваним магнітним полем. Особливістю токамака є використання електричного струму, що протікає через плазму для створення полоідальним поля, необхідного для рівноваги плазми.
УТС можливий при одночасному виконанні двох критеріїв:
- температура плазми повинна бути більше 100 000 000 К;
- дотримання критерію Лоусона: n · t> 5 · 10 19 см -3 c (для реакції D-T),
де n- щільність високотемпературної плазми, t- час утримання плазми в системі.
Вважається, теоретично, що саме від значення цих двох критеріїв в основному залежить швидкість протікання тієї чи іншої термоядерної реакції.
В даний час керований термоядерний синтез ще не здійснено в промислових масштабах. Хоча в розвинених країнах побудовано, в загальному, кілька десятків керованих термоядерних реактора, але вони не можуть забезпечити керований термоядерний синтез. Будівництво міжнародного дослідницького реактора ITER перебуває в початковій стадії.
Розглядаються дві принципові схеми здійснення керованого термоядерного синтезу.
Квазістаціонарні системи.Нагрівання і утримання плазми здійснюється магнітним полем при відносно низькому тиску і високій температурі. Для цього застосовуються реактори у вигляді токамака, стелараторів, дзеркальних пасток і ТОРСАТРОНІ, які відрізняються конфігурацією магніти поля. Реактор ITER має конфігурацію токамака.
Імпульсні системи.У таких системах УТС здійснюється шляхом короткочасного нагрівання невеликих мішеней, що містять дейтерій і тритій, надпотужними лазерними або іонними імпульсами. Таке опромінення викликає послідовність термоядерних мікровзривов.
Дослідження першого виду термоядерних реакторів істотно більш розвинені, ніж другого. У ядерній фізиці, при дослідженнях термоядерного синтезу, для утримання плазми в деякому обсязі використовується магнітна пастка. Магнітна пастка покликана утримувати плазму від контакту з елементами термоядерного реактора, тобто використовується в першу чергу як утеплювач. Принцип утримання заснований на взаємодії заряджених частинок з магнітним полем, а саме на обертанні заряджених частинок навколо силових ліній магнітного поля. На жаль, замагніченій плазма дуже не стабільна і прагне покинути магнітне поле. Тому для створення ефективної магнітної пастки використовуються самі сверхмощниме електромагніти, яке споживає величезну кількість енергії.
Можна зменшити розмір термоядерного реактора, якщо в ньому використовувати одночасно три способи створення термоядерної реакції.
Інерційний синтез.Опромінювати крихітні капсули дейтериево-тритієвого палива лазером потужністю 500 трлн (5 · 10 14) Вт. Цей гігантський, дуже короткочасний лазерний імпульс 10 -8 c призводить до вибуху паливних капсул, в результаті чого на частки секунди народжується міні-зірка. Але термоядерної реакції на нього не досягти.
Одночасно використовувати Z-machine з токамака. Z-машина діє інакше ніж лазер. Вона пропускає через павутину найтонших проводів, що оточують паливну капсулу, заряд потужністю в півтрильйона ват 5 · 10 11 Вт.
Реактори першого покоління будуть, найімовірніше, працювати на суміші дейтерію і тритію. Нейтрони, які з'являються в процесі реакції, поглинуться захистом реактора, а тепло, що виділяється буде використовуватися для нагрівання теплоносія в теплообміннику, і ця енергія, в свою чергу, буде використовуватися для обертання генератора.
Існують, в теорії, альтернативні види пального, які позбавлені зазначених недоліків. Але їх використання перешкоджає фундаментальне фізичне обмеження. Щоб отримати достатню кількість енергії з реакції синтезу, необхідно утримувати досить щільну плазму при температурі синтезу (10 8 K) протягом певного часу.
Цей фундаментальний аспект синтезу описується добутком густини плазми nна час утримання нагрітої плазми τ, що потрібно для досягнення точки рівноваги. твір, добуток nτ залежить від типу пального і є функцією температури плазми. З усіх видів пального дейтерій-тритієва суміш вимагає найнижчого значення nτ щонайменше на порядок, і найнижчу температуру реакції, щонайменше в 5 разів. Таким чином, D-T реакціяє необхідним першим кроком, однак використання інших видів пального залишається важливою метоюдосліджень.
11. Реакція синтезу в якості промислового джерела електроенергії
Енергія синтезу розглядається багатьма дослідниками як «природного» джерела енергії в довгостроковій перспективі. Прихильники комерційного використання термоядерних реакторів для виробництва електроенергії наводять такі аргументи на їх користь:
- практично невичерпні запаси палива (водень);
- паливо можна добувати з морської води на будь-якому узбережжі світу, що унеможливлює монополізацію пального однієї або групою країн;
- неможливість некерованою реакції синтезу;
- відсутність продуктів згоряння;
- немає необхідності використовувати матеріали, які можуть бути використані для виробництва ядерної зброї, Таким чином, виключається випадки саботажу і тероризму;
- порівняно з ядерними реакторами, Виробляється незначна кількість радіоактивних відходів з коротким періодом напіврозпаду.
Оцінюють, що наперсток, наповнений дейтерієм, виробляє енергію, еквівалентну 20 тоннам вугілля. Озеро середнього розміру в змозі забезпечити будь-яку країну енергією на сотні років. Однак слід зауважити, що існуючі дослідницькі реактори спроектовані для досягнення прямої дейтериево-тритиевой (DT) реакції, цикл палива якої вимагає використання літію для виробництва тритію, тоді як заяви про невичерпність енергії стосуються використання дейтериево-дейтерієвої (DD) реакції у другому поколінні реакторів.
Так само, як і реакція поділу, реакція синтезу не виробляє атмосферних викидів вуглекислоти, що є головним внеском в глобальне потепління. Це є значною перевагою, оскільки використання горючих копалин для виробництва електроенергії має своїм наслідком те, що, наприклад, в США виробляється 29 кг CO 2 (один з основних газів, які можуть вважатися причиною глобального потепління) на жителя США в день.
12. Уже є сумніви
Країни Європейського Співтовариства витрачають близько 200 млн євро щорічно на дослідження, і прогнозується, що потрібно ще кілька десятиліть поки промислове використання ядерного синтезу стане можливим. Прихильники альтернативних джерел електроенергії вважають, що було б доцільніше спрямувати ці кошти на впровадження відновлювальних джерел електроенергії.
На жаль, незважаючи на поширений оптимізм (поширений починаючи з 1950-х років, коли перші дослідження почалися), істотні перешкоди між сьогоднішнім розумінням процесів ядерного синтезу, технологічними можливостями і практичним використанням ядерного синтезу досі не подолані, неясним є навіть наскільки може бути економічно вигідне виробництво електроенергії з використанням термоядерного синтезу. Хоча прогрес в дослідженнях є постійним, дослідники раз у раз стикаються з новими проблемами. Наприклад, проблемою є розробка матеріалу, здатного витримати нейтронну бомбардування, що, як оцінюється, має бути в 100 разів інтенсивніше, ніж в традиційних ядерних реакторах.
13. Класичне уявлення про майбутні етапах в створенні керованого термоядерного реактора
Розрізняють такі етапи в дослідженнях.
Рівновага або режим «перевалу»:коли загальна енергія що виділяється в процесі синтезу дорівнює загальній енергії яка витрачає на запуск і підтримку реакції. Це співвідношення позначають символом Q. Рівновага реакції було продемонстровано на JET в Великобританії в 1997 р Витративши на його розігрів 52 МВт електроенергії, на виході вчені отримали потужність на 0,2 МВт вище витраченої. (Необхідно перевірити ще раз ці дані!)
Палаюча плазма:проміжний етап, на якому реакція буде підтримуватися головним чином альфа-частками, що продукуються в процесі реакції, а не зовнішнім підігрівом.
Q≈ 5. До сих пір проміжний етап не досягнутий.
займання:стабільна реакція, що підтримує саму себе. Повинна досягатися при великих значеннях Q. До сих пір не досягнуто.
Наступним кроком в дослідженнях повинен стати ITER, Міжнародний Термоядерний Експериментальний Реактор. На цьому реакторі планується провести дослідження поведінки високотемпературної плазми (палаюча плазма з Q≈ 30) і конструктивних матеріалів для промислового реактора.
Остаточною фазою досліджень стане DEMO: прототип промислового реактора, на якому буде досягнуто займання, і продемонстрована практична придатність нових матеріалів. Найоптимістичніші прогнози завершення фази DEMO: 30 років. З огляду на орієнтовний час на побудову і введення в експлуатацію промислового реактора, нас відділяє ≈40 років від промислового використання термоядерної енергії.
14. Все це треба обдумати
У світі було побудовано десятки, а може бути і сотні експериментальних термоядерних реакторів різних габаритів. Вчені приходять на роботу, включають реактор, реакція швидко відбувається, начебто, вимикають, і сидять і думають. У чому ж причина? Що робити далі? І так десятиліттями, безрезультатно.
Отже, вище було викладено історію людського розуміння про термоядерний синтез на Сонце і історія про досягнення людства по створенню керованого термоядерного реактора.
Пройдено великий шлях і зроблено багато, для досягнення кінцевої мети. Але, на жаль, результат негативний. Керований термоядерний реактор не створений. Ще років 30 ... 40 і обіцянки вчених будуть виконані. А чи будуть? 60 років немає результату. Чому він повинен вийти через 30 ... 40 років, а не через три роки?
Є інше уявлення про термоядерний синтез на Сонце. Воно логічне, просте і реально призводить до позитивного результату. Це відкриття В.Ф. Власова. Завдяки цьому відкриттю можуть заробити в найближчим часом навіть токамака.
15. Новий погляд на природу термоядерного синтезу на Сонце і винахід «Спосіб керованого термоядерного синтезу і керований термоядерний реактор для здійснення керованого термоядерного синтезу»
Від автора.Цьому відкриттю і винаходу майже 20 років. Я довго сумнівався в тому, що знайшов новий спосіб проведення термоядерного синтезу і для його реалізації новий термоядерний реактор. Мною були досліджені і вивчені сотні робіт в області термоядерного синтезу. Час і перероблена інформація переконали мене, що я на правильному шляху.
На перший погляд винахід дуже просте і, зовсім не схоже на експериментальний термоядерний реактор типу ТОКАМАК. У сучасних уявленнях авторитетів від науки ТОКАМАК це єдино правильне рішення і обговоренню не підлягає. 60 років ідеї термоядерного реактора. Але позитивний результат - робочий термоядерний реактор з керованим термоядерним синтезом ТОКАМАК обіцяють тільки років через 30 ... 40. Напевно, якщо 60 років немає реального позитивного результату, значить вибраний спосіб технічного рішенняідеї - створення керованого термоядерного реактора - м'яко кажучи, невірний, або недостатньо реальний. Спробуємо показати, що є інше рішення цієї ідеї на базі відкриття про термоядерний синтез на Сонце, і воно відрізняється від загальноприйнятих уявлень.
Відкриття.Головна ідея відкриття дуже проста і логічна, і полягає в тому, що термоядерні реакції відбуваються в області сонячної корони. Саме тут існують необхідні фізичні умови для реалізації термоядерної реакції. Від Сонячної корони, де температура плазми становить приблизно 1 500 000 К, нагрівається поверхню Сонця до 6 000 K, звідси з киплячою поверхні Сонця відбувається випаровування паливної суміші в сонячну корону, Температури в 6 000 K досить, щоб паливна суміш у вигляді випаровуються парів подолала силу гравітації Сонця. Це і захищає поверхню Сонця від перегріву і підтримує температуру його поверхні.
Близько зони горіння - сонячної корони існують фізичні умови, при яких розміри атомів повинні змінюються і при цьому значно знижуватися кулонівських сили. При зіткненні атоми паливної суміші зливаються і синтезують нові елементи з великим виділенням тепла. Ця зона горіння і створює сонячну корону, від якої енергія у вигляді випромінювання і речовини надходить в космічний простір. У злитті дейтерію і тритію допомагає магнітне поле обертається Сонця, де вони перемішуються і розганяються. Також від зони термоядерної реакції в сонячній короні з'являються і рухаються з великою енергією, назустріч Паливо, що випаровується, швидкі електрично заряджені частинки, а так само фотони - кванти електромагнітного поля, Все це створює необхідні фізичні умови для термоядерного синтезу.
У класичних уявленнях фізиків термоядерний синтез, чомусь не відносять до процесу горіння (тут не мається на увазі окислювальний процес). Авторитети від фізики придумали, що термоядерний синтез на Сонце повторює вулканічний процес на планеті, наприклад, Земля. Звідси всі міркування, використовується прийом подібності. Не існує доказів того, що ядро планети Земля має розплавлене рідкий стан. До таких глибин навіть геофізика не може дістатися. Те, що існують вулкани можна вважати доказом рідкого ядра Землі. В надрах Землі, особливо на невеликих глибинах, є фізичні процеси, які авторитетним фізикам поки невідомі. У фізиці немає жодного доказу, що в надрах, будь-якої зірки відбувається термоядерний синтез. Та й в термоядерної бомби термоядерний синтез зовсім не повторює модель в надрах Сонця.
При уважному візуальному вивченні Сонце схоже на сферичну об'ємну пальник і дуже нагадує горіння на великій поверхні землі, де між кордоном поверхні і зоною горіння (прототип сонячної корони) є проміжок, через яку до поверхні землі передається теплове випромінювання, Яке випаровує, наприклад, розлите паливо і ці підготовлені пари надходять в зону горіння.
Зрозуміло, що на поверхні Сонця, такий процес відбувається при інших, інших фізичних умовах. Подібні фізичні умови, досить близькі за параметрами, були закладені в розробку конструкції керованого термоядерного реактора, Короткий описі принципова схема якого викладені в заявці на патент викладається нижче.
Реферат заявки на патент №2005123095 / 06 (026016).
«Спосіб керованого термоядерного синтезу і керований термоядерний реактор для здійснення керованого термоядерного синтезу».
Пояснюю спосіб і принцип роботи заявленого керованого термоядерного реактора для здійснення керованого термоядерного синтезу.
Мал. 1.Спрощена принципова схема УТЯР
На рис. 1 зображена принципова схема УТЯР. Паливна суміш, в масовому співвідношенні 1:10, стисла до 3000 кг / см 2 і нагріта до 3000 ° C, в зоні 1 змішується і надходить через критичне перетин сопла в зону розширення 2 . У зоні 3 відбувається запалювання паливної суміші.
Температура іскри запалювання може бути будь-якої необхідної для початку термічного процесу - від 109 ... 108 К і нижче, це залежить від створюваних необхідних фізичних умов.
У високотемпературної зоні 4 відбувається безпосередньо процес горіння. Відпрацьовані гази передають тепло у вигляді випромінювання і конвекції системі теплообміну 5 і назустріч надходить паливної суміші. Пристрій 6 в активної частини реактора від критичного перетину сопла до кінця зони горіння, допомагає змінювати величину кулонівських сил і збільшує ефективний перетин ядер паливної суміші (створює необхідні фізичні умови).
За схемою видно, що реактор схожий на газовий пальник. Але термоядерний реактор і повинен бути таким, і звичайно, фізичні параметри будуть відрізнятися на величину в сотні разів від, наприклад, фізичних параметрів газового пальника.
Повторення фізичних умов термоядерного синтезу на Сонце в земних умовах - це і є суть винаходу.
Будь-яке теплогенеруюче пристрій, в якому використовується горіння, має створювати такі умови - цикли: підготовка палива, змішування, подача в робочу зону (зону горіння), запалювання, спалювання (перетворення хімічне або ядерне), тепловідвід від гарячих газів у вигляді випромінювання і конвекції, і відведення продуктів згоряння. При небезпечні відходи - їх утилізація. У заявленій патенті, все це передбачено.
Основний аргумент фізиків, про виконання критерію Лоуса виконується - під час запалювання електричної іскрою або променем лазера, а також відбиваються від зони горіння Паливо, що випаровується, швидкими електричними зарядженими частинками, а так само фотонами - квантами електромагнітного поля з енергіями високої щільності досягається температура 109 .. .108 До на деяку мінімальну площу палива, крім того і щільність палива буде 10 14 см -3. Хіба це не спосіб і метод для виконання критерію Лоуса. Але всі ці фізичні параметри можуть змінюватися, при впливі зовнішніх факторів на деякі інші фізичні параметри. Це поки ноу-хау.
Розглянемо причини неможливості реалізації термоядерного синтезу в відомих термоядерних реакторах.
16. Недоліки і проблеми загальноприйнятих уявлень у фізиці про термоядерної реакції на Сонці
1. Відомо. Температура видимої поверхні Сонця - фотосфери - 5800 К. Щільність газу в фотосфері в тисячі разів менше щільності повітря біля поверхні Землі. Загальноприйнятим вважається, що всередині Сонця температура, щільність і тиск збільшуються з глибиною, досягаючи в центрі відповідно 16 млн К (деякі, вважають 100 млн К), 160 г / см 3 і 3,5 × 10 11 бар. Під впливом високої температури в ядрі Сонця водень перетворюється в гелій з виділенням великої кількості тепла. Отже, вважається, що температура, всередині Сонця від 16 до 100 млн градусів, на поверхні 5800 градусів, а в сонячній короні від 1 до 2 млн градусів? Чому така нісенітниця? Ніхто виразно і зрозуміло пояснити цього не може. Відомі загальноприйняті пояснення мають недоліки і не дають чіткого і достатнього уявлення про причини порушення законів термодинаміки на Сонце.
2. Термоядерна бомба і термоядерний реактор працюють на різних технологічних принципах, тобто неоднаково схоже. Не можна термоядерний реактор створювати за подобою роботи термоядерної бомби, що упущено при розробці сучасних експериментальних термоядерних реакторів.
3. У 1920 р авторитетний фізик Еддінгтон обережно висловив припущення про природу термоядерної реакції на Сонці, що тиск і температура в надрах Сонця настільки високі, що там можуть йти термоядерні реакції, при якій ядра водню (протони) зливаються в ядро гелію-4. В даний час це загальноприйняте уявлення. Але з тих пір немає ніяких доказів про те, що термоядерні реакції відбуваються в ядрі Сонця при 16 млн. К (деякі фізики вважають 100 млн. К), щільності 160 г / см3 і тиску 3,5 х 1 011 бар, є тільки теоретичні припущення . Термоядерні реакції же в сонячній короні доказові. Це нескладно виявити і виміряти.
4. Проблема сонячних нейтрино. Ядерні реакції, що відбуваються в ядрі Сонця, призводять до утворення великої кількості електронних нейтрино. Освіта, перетворення і кількість сонячних нейтрино за старими уявленнями чи не пояснюються зрозуміло і досить кілька десятків років. У нових уявленнях про термоядерний синтез на Сонце цих теоретичних труднощів немає.
5. Проблема нагріву корони. Над видимою поверхнею Сонця (фотосферой), що має температуру близько 6 000 K, перебуває сонячна корона з температурою понад 1 500 000 K. Можна показати, що прямого потоку тепла з фотосфери недостатньо для того, щоб привести до такої високої температури корони. Нове розуміння термоядерного синтезу на Сонце пояснює природу такої температури сонячної корони. Саме в ній відбуваються термоядерні реакції.
6. Фізики забувають, що токамака в основному потрібні, щоб утримати високотемпературну плазму і не більше того. В існуючих і створюваних токамака не передбачено створення необхідних, спеціальних, фізичних умов для проведення термоядерного синтезу. Цього, чому то, ніхто не розуміє. Всі вперто вважають, що при багатомільйонних температурах дейтерій з тритієм повинні добре горіти. З чого б це раптом? Ядерна мішень просто швидко вибухає, а не горить. Подивіться уважно, як відбувається ядерне горіння в токамака. такий ядерний вибухможе утримати тільки сильне магнітне поле реактора дуже великих розмірів (легко прораховується), але тоді к.к.д. такого реактора буде неприйнятним для технічного застосування. У заявленій патенті проблема утримання термоядерної плазми легко вирішується.
Пояснення вчених про процеси, які відбуваються в надрах Сонця недостатні для розуміння термоядерного синтезу в глибині. Ніхто досить добре не розглядав процеси підготовки палива, процеси тепломасообміну, на глибині, в дуже складних критичних умовах. Наприклад, як, за яких умов, утворюється плазма на глибині, в якій відбувається термоядерний синтез? Як вона себе веде і т.д. Адже саме подібним чином технічно влаштовані токамака.
Отже, нове уявлення про термоядерний синтез вирішує всі існуючі технічні та теоретичні проблемив цій області.
P.S.Складно пропонувати прості істини людям, які десятиліття вірили в думки (припущення) наукових авторитетів. Щоб зрозуміти про що нове відкриття, досить самостійно переглянути те, що було для себе догмою багато років. Якщо нове пропозицією про природу фізичного ефекту викликає сумнів в істинності старих припущень, доведи істину в першу чергу собі. Так повинен надходити кожен справжній учений. Відкриття про термоядерний синтез в сонячній короні доводиться в першу чергу візуально. Термоядерний горіння відбувається не в надрах Сонця, а на його поверхні. Це особливе горіння. На багатьох фотографіях і знімках Сонця видно як йде процес горіння, як йде процес утворення плазми.
1. Керований термоядерний синтез. Вікіпедія.
2. Велихов Е.П., Мирнов С.В. Керований термоядерний синтез виходить на фінішну пряму. Троїцький інститут інноваційних і термоядерних досліджень. російський науковий центр«Курчатовський інститут», 2006.
3. Ллуеллін-Сміт К. На шляху до термоядерної енергетиці. Матеріали лекції, прочитаної 17 травня 2009 року в ФІАН.
4. Енциклопедія Сонця. Тесіс, 2006.
5. Сонце. Астронет.
6. Сонце і життя Землі. Радіозв'язок і радіохвилі.
7. Сонце і Земля. Єдині коливання.
8. Сонце. Сонячна система. Загальна астрономія. Проект «Астрогалактіка».
9. Подорож з центру Сонця. Популярна механіка, 2008.
10. Сонце. Фізична енциклопедія.
11. Astronomy Picture of the Day.
12. Горіння. Вікіпедія.
"Наука і техніка"
